[發明專利]摻鎵元素太陽能單晶的生產方法

有效

• 申請號: 200810053398.X
• 申請日: 2008-06-03
• 公開（公告）號: CN101319364A
• 公開（公告）日: 2008-12-10
• 發明（設計）人: 沈浩平;汪雨田;尚偉澤;李翔;高樹良;李海靜;高潤飛
• 申請（專利權）人: 天津市環歐半導體材料技術有限公司
• 主分類號: C30B29/06
• 分類號: C30B29/06;C30B15/00;C30B15/04
• 代理公司: 天津中環專利商標代理有限公司
• 代理人: 王鳳英

技術領域

本發明涉及太陽能電池硅單晶的生產方法，特別涉及一種摻鎵元素太陽能硅單晶的生產方法。

背景技術

目前，用于生產太陽能電池的硅單晶普遍為摻硼元素單晶，并且摻硼元素單晶的生產方法已被廣大硅材料制造企業所掌握。隨著國內外經濟的飛速發展和市場競爭日趨激烈，這種采用摻硼元素硅單晶制作的太陽能電池，由于在轉換效率，使用壽命及抗惡劣環境等性能上逐漸不能滿足人類更高目標的需求，因此，硅材料制造企業面臨如何提高太陽能硅單晶性能的問題，即如何提高太陽能硅單晶的轉換效率、使用壽命和抗惡劣環境能力，以滿足如今高端太陽能電池的需要。經過多方實驗和研究，摻鎵元素的太陽能硅單晶逐漸體現出產品的優勢，但是，如何將熔點僅為29.78℃的鎵元素摻入1420℃的熔硅中，是拉制摻鎵元素太陽能硅單晶首要攻破的技術難題。

發明內容

為了提高太陽能硅單晶的性能，尤其從轉換效率，使用壽命及抗惡劣環境等方面體現出更為優越的效果，本發明提供一種摻鎵太陽能硅單晶的摻雜方法及拉晶工藝。

由于鎵元素的熔化點僅為29.78℃，常溫下即可熔化，因此對于鎵元素的運輸、存放等都需冷藏。常規的硼元素的熔點和沸點高于硅的熔點和沸點，在硅熔體中難以蒸發，作為摻雜劑容易控制。利用直拉法，在拉晶狀態下，熔料硅本身溫度達1420℃，摻雜劑鎵元素的熔點過低，摻雜過程不容易控制，相對比硼元素較困難。

鎵元素的分凝系數僅為0.008，與常規的硼元素0.8的分凝系數相比，差了100倍，因為分凝系數太小，作為摻雜劑在摻雜時難以控制摻雜濃度，也不容易準確控制晶體的電阻率，因此，要拉制獲得目標電阻率的合格單晶，也存在一定的難度。

根據鎵元素的物理性質，要成功控制出摻鎵太陽能硅單晶有一定的難度，其中，首要如何將熔點僅為29.78℃的鎵元素摻入到1420℃的溶硅中，這需要研究出一種針對摻鎵元素的摻雜方法，在研究過程中，本發明曾設計四種摻雜方案，并進行實驗。

四種摻雜方案包括：

一、鎵元素直接隨多晶料熔化，達到摻雜的目的。

直拉法中由于硅本身熔料溫度達1420℃，如果將鎵元素同時與硅料一起裝入石英坩堝中融化，理論上沒有問題，但多晶硅料從開始熔化，到全部熔完一般需要3—4個小時，長時間的熔化過程，使鎵元素伴隨著溫度的升高而揮發，揮發量會很難控制，通過大量實驗，驗證出該方法的不利因素：

1、鎵元素的揮發在整個熱系統內較難控制，尤其想要做到量化，幾乎不可能。

2、長時間的揮發會導致摻鎵元素目的失敗，較難得到目標的摻雜電阻率水平。

3、長時間的揮發，會對整個成晶系統造成破壞，很難拉制出單晶。

二、制作硅與鎵元素的合金，然后以合金的方式進行摻雜。

通過使用Si-Ga合金進行摻雜最為理想，但制備Si-Ga合金的難度也是比較大的，作為合金，應該具備以下特點

1、有足夠的摻雜劑的濃度。

2、摻雜過程中合金使用量要少，不至于影響整體熔硅重量。

3、合金的制作，不是很困難，容易獲得。

合金的制作是基于鎵元素能夠先摻在熔硅中，并且摻入的鎵元素的量足夠多，否則，達不到作為合金使用的目的。通過實驗，目前情況，制作高品質Si-Ga合金的工藝條件還不具備，因此實施起來較為困難。

三、制作盛鎵元素硅碗進行摻雜。

制作盛裝鎵的硅碗，在多晶硅料熔化完后，隔離置換后，通過專門的裝置，將整個盛裝鎵元素的硅碗浸入熔硅中，即使鎵元素在高溫下出現熔化，也可以將其連同硅碗及熔化的鎵元素摻入熔硅中，通過實驗驗證，可行，但是由于盛鎵硅碗制作成本較高且有一定難度，因此也不便于實施。

四、通過拉晶設備的摻雜裝置進行鎵元素的摻雜。

在多晶硅料硅料熔化完后，在拉晶設備的摻雜裝置內，放入鎵元素，隔離置換，以最短時間倒氣將摻雜裝置翻轉，使鎵元素倒入多晶原料內。實驗過程中，發現此方案在摻雜操作上比較高效可取。

經過大量的實驗證明，采取第四種摻雜方案可成功解決鎵元素的摻雜問題。由于摻雜元素不同，采用原有的拉晶工藝，通過多次試驗發現，在拉晶過程中容易出現斷苞情況，很難成晶，這就是需要探索出適合摻鎵元素的拉晶工藝。

本發明為了實現上述目的所采取的技術方案是：一種摻鎵元素太陽能硅單晶的生產方法，其特征在于：摻雜方法包括：

(1)、擦拭摻雜裝置

在摻雜前，用帶無水乙醇的纖維紙，對摻雜裝置進行擦拭；

(2)、冷卻摻雜裝置